Biomatériaux

Vaisseaux artificiels, valves cardiaques, stents, implants dentaires, lentilles de contact, remplacements de cristallin, prothèses de la hanche, du genou, du coude ou du poignet, cœur, pancréas, sphincter, ligament ou tendon artificiel, vis, plaques, broches, colles, drains, matériaux de suture, pompes portables et implantables, dialyseurs, implants dentaires, matériaux de chirurgie esthétique… les stratégies thérapeutiques ayant recours à des biomatériaux sont devenus monnaie courante en l’espace de quelques décennies. On estime ainsi que 3 à 4 millions de patients sont concernés en France.

Dans ce dossier, nous vous proposons de découvrir quatre domaines où la recherche française est très active :

• Réparer l’os : bio-ingénierie de l’os
• Réparer la peau : bio-ingénierie cutanée
• Réparer le cartilage : bio-ingénierie du cartilage
• Réparer les vaisseaux : bio-ingénierie des petits vaisseaux

Les biomatériaux pour remplacer ou assister le tissu sain

Les conférences de consensus de Chester (Royaume-Uni, 1986, 1991) ont proposé la définition suivante des biomatériaux, généralement admises par la communauté scientifique et médicale : « matériau non vivant, utilisé dans un dispositif médical et conçu pour interagir avec des systèmes biologiques, qu’il participe à constitution d’un appareillage à visée diagnostique ou à celle d’un substitut de tissu ou d’organe, ou encore à celle d’un dispositif de suppléance (ou assistance) fonctionnelle ». Le biomatériau à proprement dit désigne le constituant d’un matériel de soin ou de suppléance : acier, chrome-cobalt ou alliage de titane pour les prothèses de la hanche, par exemple, auquel il faut ajouter dans ce cas les ciments acryliques ou les produits ostéoconducteurs permettant l’accrochage de la prothèse.

Les matériaux utilisés
On peut en distinguer quatre grandes classes : les métaux et alliages métalliques (acier inoxydable, titane, cobalt, chrome, molybdène, tantale…), les céramiques (alumine, zircone, hydroxyapatite, phosphate tricalcique…), les polymères (fonctionnels ou résorbables), les matériaux d’origine naturelle (porites de corail, chitine, fucanes, dextranes, cellulose, collagène…). La recherche travaille également à mettre au point des composés matriciels intégrant la culture in situ de cellules souches, afin de régénérer un tissu ou un organe lésé. On parle alors de matériaux hybrides.

De nombreuses contraintes à surmonter

Un biomatériau utilisé à des fins médicales est soumis à de nombreuses contraintes. Elles concernant en premier lieu la santé du patient : la prothèse ou l’implant ne doit pas susciter d’infection, de réaction inflammatoire ni de rejet (tolérance immunitaire), de même qu’elle ne doit pas rejeter dans l’organisme des substances toxiques ou cancérigènes. Le matériau doit être stérilisé avant usage, ce qui suppose qu’il résiste à certaines interventions physiques (radiations ionisantes), chimiques (oxyde d’éthylène par exemple) ou thermiques. Une fois disposé dans l’organisme, ce matériau doit faire face à des contraintes mécaniques (millions d’ouverture et fermeture d’une valve cardiaque, ou résistance d’une articulation de hanche à une charge représentant 3 à 10 fois le poids du corps selon le type de mouvement), ainsi que des contraintes chimiques et biochimiques (le milieu vivant est riche en eau et en substances corrosives ou oxydantes).

Une recherche pluridisciplinaire à l’interface du vivant et du matériau

Initialement, la définition de la biocompatibilité d’un matériau était essentiellement négative (ne pas induire de risque infectieux, immunitaire ou tumoral). Mais l’enjeu principal de la recherche est d’obtenir une biocompatibilité active, c’est-à-dire une bonne adaptation de l’organisme à l’introduction d’une nouvelle contrainte locale (l’implant) et une réponse appropriée en vue des fonctions déficientes à restaurer. Cette interface vivant-matériau est l’objet d’une recherche naturellement pluridisciplinaire : sont convoqués à l’optimisation des biomatériaux les modèles mathématiques et informatiques, les sciences des matériaux, la mécanique des fluides et des solides, l’anatomie, la biologique moléculaire, cellulaire et structurale, la chirurgie…

Pour aller plus loin

Communiqués de presse

• CNRS, Produire bientôt de la peau ou des vaisseaux sanguins ? (2 mars 2008)
• CNRS, Nanotubes de carbone : quelle toxicité pour l'environnement et la santé ? (8 janvier 2007)

Sites

Canal U, Conférence (texte et vidéo) de Laurent Sedel, chirurgien orthopédiste (Hopital Lariboisière), ancien président de l'Intercommission 1 Inserm (suppléance fonctionnelle, biomatériaux, handicap), 2000.

Quelques laboratoires

• Fédération biomatériaux Nord-Pas-de-Clais
• Biomécanique et biomatériaux ostéo-articulaires (B2OA), CNRS - UMR 7052
• Remodelage osseux et biomatériaux, Inserm U922
• Laboratoire de biomatériaux et polymères de spécialité (LBPS), CNRS UMR 7052
• Laboratoire des multimatériaux et interfaces, CNRS UMR 5615
• Biomécanique, biomatériaux et matériaux bio-inspirés, Laboratoire 3S-R Sols, Solides, Structures, Risques
• Conception, élaboration et caractérisation de nouveaux biomatériaux, Inserm U926
• Biomatériaux actifs et ingénierie tissulaire, Inserm U977
• Centre d'Investigation Clinique - Innovations Technologiques - Biomatériaux, CHU de Bordeaux/Inserm
• Laboratoire de bio-ingénierie cardiovasculaire, Inserm UMR 698